CN108736794B - 一种功率变换电路控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率变换电路，包括整流模块(1)、电感器(2)、电容器(3)以及逆变电路(4)，逆变电路(4)与电机(6)连接，电机控制模块(12)、电流控制模块(13)和PWM调制模块依次(14)连接，电压检测模块(5)设置在电容器(3)上，所述电压检测模块(5)与电机控制模块(12)连接，第一电流传感器(81)与交流电源(9)串联，所述第一电流传感器(81)与电机控制模块(12)连接；所述电机控制模块(12)根据交流电流i_ac和母线电压u_dc确定q轴改善转矩电流参考值I_q_Ref_g。本发明的有益效果是：通过对q轴转矩电流参考值I_q_Ref的确定，使得输入电流与输入电压的变化规律相同，即使得功率变换电路的功率因数得到改善。

Description

一种功率变换电路控制方法

技术领域

本发明涉及空调电路领域，具体的涉及一种功率变换电路控制方法。

背景技术

现有技术中，很多情况下采用磁场定向控制技术(Field Orientated Control，FOC)来控制电机的转速，采用FOC进行电机转速控制的功率变换电路工作框图如图2所示，其控制流程如下：

1)电机控制模块接收来自逆变电路输出的三相交流电流中的两相交流电流i_u和i_v，接收来自电机上位置传感器检测到的电机转子位置角θ，以及接收交流电源的电压信号u_ac；

2)电机控制模块自身保存有电机转速参考值ω_{r_ref}，根据算式组(1)，计算q轴转矩电流参考值I_q_Ref和d轴电流参考值I_d_Ref：

其中，K_p1、K_i1、a、b为现场调试的参数。

3)电流控制模块接收电机控制模块发送的q轴转矩电流参考值I_q_Ref、d轴电流参考值I_d_Ref，并且接收两相交流电流i_u、i_v和接收来自电机上位置传感器检测到的电机转子位置角θ，根据算式组(2)，计算q轴电压u_q和d轴电压u_d：

其中，K_p2、K_i2为现场调试的参数。

4)PWM发生器根据接收到的q轴电压u_q、d轴电压u_d、来自电机上位置传感器检测到的电机转子位置角θ和母线电容电压u_dc，根据算式组(3)，计算逆变电路三个上桥IGBT开闭的占空比p_u、p_v和p_w，使逆变电路三个上桥IGBT分别按照p_u、p_v和p_w的占空比开关，下桥IGBT与上桥IGBT的开关状态相反：

在实际使用磁场定向控制技术时，应当根据工程应用条件调节K_p1、K_p2、K_p3、K_i1、K_i2、K_i3、a和b的值，以使电机稳定可靠运行。

磁场定向控制技术(Field Orientated Control，FOC)为现有技术，相关原理本发明不再赘述，相关技术原理及参数定义可参考但不限于论文《磁场定向控制原理及特性分析》，作者：孟严家、赵广社，以及论文《永磁同步电动机磁场定向控制的研究》，作者：尚喆。

现有技术中，空调的功率变换电路如图3所示，在图3中，因为逆变电路及电机构成的负载为恒功率负载(Constant Power Load，CPL)，使得整机输入电流会存在波形畸变，输入功率因数低和电流谐波大，具体的，关于恒功率负载使得电机功率因数变低和电流谐波变大，可以参考但不限于论文《抵消恒功率负载负阻抗特性影响的双向Buck/Boost变换器控制策略》，作者：张旭辉；论文《同步发电机带恒功率负载稳定性分析》，作者：高朝晖；论文《一种新型交流恒功率负载仿真模型》，作者：董延军。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种功率变换电路控制方法，使得逆变电路的功率因数得到改善。

具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种功率变换电路，所述功率变换电路包括整流模块、电感器、电容器以及逆变电路，所述逆变电路与电机连接，电机控制模块、电流控制模块和PWM调制模块依次连接，电压检测模块设置在电容器上，所述电压检测模块与电机控制模块连接，第一电流传感器与交流电源串联，用于检测交流电源提供的交流电流i_ac，所述第一电流传感器与电机控制模块连接；所述电机控制模块根据交流电流i_ac和母线电压u_dc确定q轴改善转矩电流参考值I_q_Ref_g；所述功率变换电路控制方法包括：

步骤1：电机控制模块根据交流电压u_ac、电机转速参考值ω_{r_ref}、电机转子位置角θ，通过计算得到d轴电流参考值I_d_Ref和交流输入电流峰值参考值i_{ac_Ref_peak}；

步骤2：电机控制模块将交流电压u_ac作为交流输入电流波形参考值i_{ac_waveform_Ref}，根据算式i_{ac_Ref}＝i_{ac_Ref_peak}*i_{ac_waveform_Ref}，确定交流输入电流参考值i_{ac_Ref}；

步骤3：根据算式

确定电感电压参考值u_{L_Ref}，其中i_{ac_Ref}为交流输入电流参考值，i_ac为实际检测到的交流电流；

步骤4：根据算式u_{dc_Ref}＝u_ac-u_{L_Ref}，确定母线电压参考值u_{dc_Ref}；

步骤5：根据算式

确定q轴改善转矩电流参考值I_q_Ref_g，其中，u_{dc_Ref}为母线电压参考值，u_dc为实际检测到的母线电压；

步骤6：电流控制模块根据所述q轴改善转矩电流参考值I_q_Ref_g和d轴电流参考值I_d_Ref，计算得到q轴改善电压u_{q_g}和d轴电压u_d；

步骤7：PWM调制模块根据q轴改善电压u_{q_g}和d轴电压u_d，按照FOC原理输出PWM波形，控制逆变电路的输出功率。

较佳的，所述步骤5还包括：

根据算式i_{ac_Ref_comp}＝K*i_{ac_Ref}确定转矩电流前馈量i_{ac_Ref_comp}，将i_{ac_Ref_comp}与I_q_Ref_g相加，并将相加后的值作为新的I_q_Ref_g。

较佳的，所述步骤1具体为：

根据算式组

确定d轴电流参考值I_d_Ref和交流输入电流峰值参考值i_{ac_Ref_peak}。

较佳的，所述步骤6具体为：

根据算式组

确定q轴改善电压u_{q_g}和d轴电压u_d。

较佳的，所述步骤7具体包括：

步骤71：PWM调制模块根据下述算式组确定逆变电路中每个IGBT开关的占空比p_{u_g}、p_{v_g}和p_{w_g}：

步骤72：使逆变电路三个上桥IGBT分别按照p_{u_g}、p_{v_g}和p_{w_g}的占空比开关，下桥IGBT与上桥IGBT的开关状态相反。

本发明的有益效果是：通过对q轴转矩电流参考值I_q_Ref的确定，使得输入电流与输入电压的变化规律相同，即使得功率变换电路的功率因数得到改善。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种功率变换电路结构示意图；

图2为现有技术中磁场定向控制技术运算方法示意图；

图3为现有技术中功率变换电路结构示意图。

附图标记说明

为进一步清楚的说明本发明的结构和各部件之间的连接关系，给出了以下附图标记，并加以说明。

1、整流模块；2、电感器；3、电容器；4、逆变电路；5、电压检测模块；6、电机；7、电压互感器；81、第一电流传感器；82、第二电流传感器；83、第三电流传感器；9、交流电源；12、电机控制模块；13、电流控制模块；14、PWM调制模块；15、位置传感器。

通过上述附图标记说明，结合本发明的实施例，可以更加清楚的理解和说明本发明的技术方案。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

一种功率变换电路，如图1所示，所述功率变换电路包括整流模块1、电感器2、电容器3以及逆变电路4，所述电感器2与交流电源9串联，所述电容器3与所述整流模块1并联，所述逆变电路4并联设置在电容器3上，所述逆变电路4与电机6连接，所述逆变电路4输出的三相交流电用于驱动所述电机6运行，电压互感器7设置在交流电源9上，用于检测交流电源9上的交流电压u_ac。电压检测模块5设置在电容器3上，用于检测电容器3上的母线电压u_dc，所述电压检测模块5与电机控制模块12连接。第二电流传感器82和第三电流传感器83分别设置在逆变电路4输出的三相交流电中两相电的电线上，用于检测所在电线上的第一相电流i_u和第二相电流i_v；第一电流传感器81与交流电源9串联，用于检测交流电源9提供的交流电流i_ac，所述第一电流传感器81与电机控制模块12连接。在所述电机6上设置位置传感器15，用于检测电机转子位置角θ；所述电机控制模块12根据交流电压u_ac、交流电流i_ac、母线电压u_dc、第一相电流i_u、第二相电流i_v、电机转子位置角θ以及电机转速参考值ω_{r_ref}(电机转速参考值ω_{r_ref}可以预先保存在电机控制模块12中或者根据需要由其他设备实时向电机控制模块12提供)，通过计算得到q轴改善转矩电流参考值I_q_Ref_g和d轴电流参考值I_d_Ref；电流控制模块13根据q轴改善转矩电流参考值I_q_Ref_g、d轴电流参考值I_d_Ref、电机转子位置角θ、第一相电流i_u和第二相电流i_v，通过计算得到q轴改善电压u_{q_g}和d轴电压u_d，PWM调制模块14接收电压检测模块5上得到的母线电压u_dc，并根据q轴改善电压u_{q_g}、d轴电压u_d、电机转子位置角θ、第一相电流i_u和第二相电流i_v的控制，输出期望占空比的PWM波形，控制逆变电路4输出符合要求的三相交流电供电机6使用，使电机6按照对应的功率运行。

一种功率变换电路控制方法，使用图1所示的功率变换电路，所述方法包括：

S101：电机控制模块根据交流电压u_ac、电机转速参考值ω_{r_ref}、电机转子位置角θ，通过计算得到d轴电流参考值I_d_Ref和交流输入电流峰值参考值i_{ac_Ref_peak}。

S102：电机控制模块将交流电压u_ac作为交流输入电流波形参考值i_{ac_waveform_Ref}，根据算式i_{ac_Ref}＝i_{ac_Ref_peak}*i_{ac_waveform_Ref}，确定交流输入电流参考值i_{ac_Ref}。

这一步的意义在于，使交流输入电流参考值i_{ac_Ref}在波形上满足交流电压u_ac的形状要求，在幅值上满足交流输入电流峰值参考值i_{ac_Ref_peak}的要求。

S103：根据交流输入电流参考值i_{ac_Ref}和实际检测到的交流电流i_ac，确定电感电压参考值u_{L_Ref}。

这里，所述电感电压参考值u_{L_Ref}即为期望电感器2上具有的电压值。

S104：根据算式u_{dc_Ref}＝u_ac-u_{L_Ref}，确定母线电压参考值u_{dc_Ref}。

在图1所示的电路中，根据KVL定律，算式u_ac＝u_dc+u_L成立，其中u_L为电感器2上具有的电压值，u_dc为母线电压，当取u_L＝u_{L_Ref}时，对应的母线电压u_dc即为期望母线上具有的电压值，即母线电压参考值u_{dc_Ref}。

S105：根据母线电压参考值u_{dc_Ref}和实际检测到的母线电压u_dc，确定q轴改善转矩电流参考值I_q_Ref_g。

S106：电流控制模块根据所述q轴改善转矩电流参考值I_q_Ref_g和d轴电流参考值I_d_Ref，计算得到q轴改善电压u_{q_g}和d轴电压u_d。

S107：PWM调制模块根据q轴改善电压u_{q_g}和d轴电压u_d，按照FOC原理输出PWM波形，控制逆变电路的输出功率。

对所述功率变换电路控制方法进行解释如下：

所述功率变换电路通过执行步骤S106～步骤S107，根据q轴改善转矩电流参考值I_q_Ref_g输出对应功率，使得母线电压u_dc与在数值上接近母线电压参考值u_{dc_Ref}，则根据步骤S104可知，当母线电压u_dc在数值上接近母线电压参考值u_{dc_Ref}，则电感器2上具有的电压值u_L在数值上就越接近电感电压参考值u_{L_Ref}，又由于电感电压参考值u_{L_Ref}由交流输入电流参考值i_{ac_Ref}和实际检测到的交流电流i_ac根据算式

确定，且电感电压参考值u_{L_Ref}和输入电流参考值i_{ac_Ref}为不可变量，则当要求u_{L_Ref}为0或者趋近于0时，即得到i_{ac_Ref}-i_ac为0或者趋近于0，即i_ac≈i_{ac_Ref}，而i_{ac_Ref}又被定义为与输入电压u_ac频率相位相同仅仅幅值有差异的量，最终的效果是，通过q轴改善转矩电流参考值I_q_Ref_g的调节，使得交流电流i_ac在波形的频率和相位上尽量与交流电压u_ac波形的频率和相位一致，只是在幅值上有数值上的差异(由于交流输入电流峰值参考值i_{ac_Ref_peak}的影响)，所述功率变换电路的输入交流电流i_ac与交流电压u_ac在频率和相位上一致，即说明所述功率变换电路的功率因数为1，为功率因数所能达到的最大值。就整个调节过程而言，只需通过调节u_dc的值，使得u_L＝u_{L_Ref}→0，即达到了改善功率因数的目的。

进一步的，所述步骤S101具体为：

根据算式组

确定d轴电流参考值I_d_Ref和交流输入电流峰值参考值i_{ac_Ref_peak}，其中应当根据工程应用条件调节K_p4、K_i4、a和b的值，以使电机稳定可靠运行。

所述步骤S103具体为：

根据比例-积分(PI)算式

确定u_{L_Ref}，其中，K_p5、K_i5为根据工程需要调试的参数，使得u_{L_Ref}与(i_{ac_Ref}-i_ac)成比例-积分的正相关比例关系，使得u_{L_Ref}始终与(i_{ac_Ref}-i_ac)的大小呈对应的关系。

所述步骤S105具体为：

根据比例-积分(PI)算式

确定I_q_Ref_g，其中，K_p6、K_i6为根据工程需要调试的参数，使得I_q_Ref_g与(u_{dc_Ref}-u_dc)成比例-积分的正相关比例关系，使得I_q_Ref_g始终与(i_{ac_Ref}-i_ac)的大小呈对应的关系。

在本发明的另一个实施例中，所述步骤S105还包括：

根据算式i_{ac_Ref_comp}＝K*i_{ac_Ref}确定转矩电流前馈量i_{ac_Ref_comp}，将i_{ac_Ref_comp}与I_q_Ref_g相加，并将相加后的值作为新的I_q_Ref_g值，其中K为现场调试的参数，使得通过调节K的值，使整个调节过程响应更快。

步骤S106具体为：

根据算式组

确定q轴改善电压u_{q_g}和d轴电压u_d。

步骤S107具体包括：

S1071：PWM调制模块根据下述算式组确定逆变电路中每个IGBT开关的占空比p_{u_g}、p_{v_g}和p_{w_g}：

S1072：使逆变电路三个上桥IGBT分别按照p_{u_g}、p_{v_g}和p_{w_g}的占空比开关，下桥IGBT与上桥IGBT的开关状态相反。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种功率变换电路控制方法，所述功率变换电路包括整流模块(1)、电感器(2)、电容器(3)以及逆变电路(4)，所述逆变电路(4)与电机(6)连接，电机控制模块(12)、电流控制模块(13)和PWM调制模块依次(14)连接，其特征在于，电压检测模块(5)设置在电容器(3)上，所述电压检测模块(5)与电机控制模块(12)连接，第一电流传感器(81)与交流电源(9)串联，用于检测交流电源(9)提供的交流电流i_ac，所述第一电流传感器(81)与电机控制模块(12)连接；所述电机控制模块(12)根据交流电流i_ac和母线电压u_dc确定q轴改善转矩电流参考值I_q_Ref_g；所述功率变换电路控制方法包括：

步骤1：电机控制模块根据交流电压u_ac、电机转速参考值ω_{r_ref}、电机转子位置角θ，通过计算得到d轴电流参考值I_d_Ref和交流输入电流峰值参考值i_{ac_Ref_peak}；

步骤2：电机控制模块将交流电压u_ac作为交流输入电流波形参考值i_{ac_waveform_Ref}，根据算式i_{ac_Ref}＝i_{ac_Ref_peak}*i_{ac_waveform_Ref}，确定交流输入电流参考值i_{ac_Ref}；

步骤3：根据算式

确定电感电压参考值u_{L_Ref}，其中i_{ac_Ref}为交流输入电流参考值，i_ac为实际检测到的交流电流；

步骤4：根据算式u_{dc_Ref}＝u_ac-u_{L_Ref}，确定母线电压参考值u_{dc_Ref}；

步骤5：根据算式

确定q轴改善转矩电流参考值I_q_Ref_g，其中，u_{dc_Ref}为母线电压参考值，u_dc为实际检测到的母线电压；

步骤6：电流控制模块根据所述q轴改善转矩电流参考值I_q_Ref_g和d轴电流参考值I_d_Ref，计算得到q轴改善电压u_{q_g}和d轴电压u_d；

步骤7：PWM调制模块根据q轴改善电压u_{q_g}和d轴电压u_d，按照FOC原理输出PWM波形，控制逆变电路的输出功率。

2.根据权利要求1所述的功率变换电路控制方法，其特征在于，所述步骤5还包括：

根据算式i_{ac_Ref_comp}＝K*i_{ac_Ref}确定转矩电流前馈量i_{ac_Ref_comp}，将i_{ac_Ref_comp}与I_q_Ref_g相加，并将相加后的值作为新的I_q_Ref_g。

3.根据权利要求1所述的功率变换电路控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

根据算式组

确定d轴电流参考值I_d_Ref和交流输入电流峰值参考值i_{ac_Ref_peak}。

4.根据权利要求1所述的功率变换电路控制方法，其特征在于，所述步骤6具体为：

根据算式组

确定q轴改善电压u_{q_g}和d轴电压u_d。

5.根据权利要求1所述的功率变换电路控制方法，其特征在于，所述步骤7具体包括：

步骤71：PWM调制模块根据下述算式组确定逆变电路中每个IGBT开关的占空比p_{u_g}、p_{v_g}和p_{w_g}：

步骤72：使逆变电路三个上桥IGBT分别按照p_{u_g}、p_{v_g}和p_{w_g}的占空比开关，下桥IGBT与上桥IGBT的开关状态相反。

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